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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

REFERENCE AREAL SURFACE METROLOGY

Die Referenzmetrologie für flächenhaft messende Oberflächenmessgeräte

 

Die richtige Kalibrierung eines Messgerätes mittels eines Satzes von Referenzmaßverkörpe-rungen ist eine weit verbreitete Methode zur Absicherung von korrekten Messungen. In den letzten Jahren wurden Bemühungen im internationalen Rahmen verstärkt, um eine Reihe von normativen Dokumenten unter der Nomenklatur ISO 25178 zu erstellen, die die nominellen Charakteristiken und Kalibriermethoden für flächenhaft messende Oberflächenmessgeräte beschreiben sollen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind solche Kalibrierungen in Bezug auf die Verstärkung, Linearität, Rechtwinkligkeit, Ebenheit als auch auf das Rauschen unter Verwendung von Referenzmaßverkörperungen gut beschrieben. Bevor die Referenzmaßverkörperungen für die Kalibrierung verwendet werden können, müssen diese selbst genau und rückführbar z.B. mit dem HS-Met.LR-AFM oder dem 3D-AFM kalibriert werden.
Das metrologische Verhalten von flächenhaft messenden Oberflächenmessgeräten muss über das Oberflächenspektrum untersucht werden; hierfür muss z.B. die Geräteübertragungsfunktion (Instrument Transfer Function (ITF)) bekannt sein. Allerdings sind gegenwärtig weder die rückführbare Referenzmetrologie als auch die Referenzmaßver-körperungen für die Charakterisierung der ITF verfügbar.
Kürzlich wurde ein neuartiges Probestück für ein radiales Chirp-Normal in der PTB entwickelt und gefertigt. Es kann sowohl für die Charakterisierung der ITF von flächenhaft messenden Oberflächenmessgeräten als auch für die Bestimmung der winkelabhängigen Asymmetrien des untersuchten Messgerätes verwendet werden. Zwei innovative Ideen wurden beim Design des Normals verwirklicht. Erstens basiert das Normal auf radialen Strukturmustern. Derartige rotationssymmetrische Muster werden bevorzugt für die Charakterisierung der in der ITF beschriebenen Merkmale bei verschiedenen Winkellagen zum Messgerät verwendet, um winkelabhängige Asymmetrien im Messgerät zu erkennen. Zweitens ist dieses Strukturmuster auf dem Normal dadurch entstanden, dass ein normales horizontales Chirp-Profil um die z-Achse gedreht wurde. Das Chirp-Muster kann somit als eine Oberfläche mit einem vordefinierten Bandspektrum (min bis max) mit einer flachen Amplitude betrachtet werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein Prototyp des Normals durch das Aufbringen von Niobium-Strukturen auf einen Si-Chip unter Verwendung der Ionenstrahllithographie in Kombination mit einem reaktiven Ionenätzverfahren hergestellt. Dabei wurde ein spektraler Bereich mit min = 1 µm bis max = 16 µm realisiert. Der Prototyp weist nicht-transparente und reflektierende Oberflächenbereiche auf und ist dadurch auf ideale Weise für die Charakterisierung von optischen Messgeräten geeignet. Die Materialkombinationen an den oberen und unteren Oberflächenbereichen sind identisch, so dass der Einfluss von Phasensprüngen durch die optische Reflexion ausgeschlossen werden kann.


Bild 1:    Topographiebild des radialen Chirp-Musters (r = 60 µm) gemessen mit einem kommerziell erhältlichen Laser Scanning Confocal Microscope (LSCM) mit einem Objektiv mit 100-facher Vergrößerung dargestellt in (a)

und die Profillinien für die Ausrichtung in 0° und 90° (b). Die schnelle Scanachse des Messgerätes ist die horizontale Achse.

Für weitergehende Informationen zu diesem Forschungsgebiet siehe die nachfolgenden Veröffentlichungen:
[1] Gaoliang Dai et al. Development of a novel material measure for characterising instrument transfer function (ITF) considering angular-dependent asymmetries of areal surface topography measuring instruments, Proceeding of euspen’s 19th International Conference &Exhibition, Bilbao, ES, June 2019.
[2] Gaoliang Dai et al. Fast and accurate: high-speed metrological large range AFM for surface and nanometrology Meas. Sci. Technol. 29 (2018) 054012